无需开颅！三维光声超声显微技术 突破7毫米深度成像
2025-08-21 来源:本站 点击次数:64本研究成果由Ludmila A.Kasatkina, Chenshuo Ma, Huaxin Sheng, Matthew Lowerison, Luca Menozzi, Mikhail Baloban, Yuqi Tang, Yirui Xu, Lucas Humayun, Tri Vu, Pengfei Song, Junjie Yao & Vladislav V.Verkhusha 团队完成。相关论文以 《Deep-tissue high-sensitivity multimodal imaging and optogenetic manipulation enabled by biliverdin reductase knockout》 为题，于 2025年7月在 《Nature Communications》 正式发表。
重要发现
01基因敲除模型增强光学探针性能
研究团队通过构建Blvra⁻/⁻小鼠模型，阻断胆绿素（Biliverdin, BV）向胆红素的转化通路，使内源性BV浓度显著升高。BV是细菌光敏色素（Bacterial Phytochromes, BphPs）的关键近红外生色团，其浓度提升使BphPs衍生探针（如DrBphP-PCM、miRFP720）的荧光强度与光切换效率大幅增强：
神经元成像：在Blvra⁻/⁻小鼠脑部，DrBphP-PCM的光切换效率提升至30%（野生型仅8%），光声信号对比噪声比（CNR）达615（野生型为67），提升近10倍（p=0.0146）。
双光子显微突破：利用1280 nm激发光，miRFP720标记的神经元在Blvra⁻/⁻脑中成像深度达2.2毫米，分辨率达单细胞水平（野生型仅1.3毫米），信号强度提升2.5倍（p=0.0096）。
023D-PAULM系统实现多模态深部成像研究团队开发了三维光声超声定位显微系统（3D-PAULM），整合两种核心技术：
可逆切换光声成像（RS-PAT）：利用BphPs在660 nm/750 nm光下的可逆光切换特性，通过差分信号消除血液背景干扰，提升分子检测灵敏度1000倍。
超声定位显微（ULM）：追踪血管内微气泡运动轨迹，以40微米分辨率绘制血管网络（较传统超声提升10倍）。
该系统成功应用于：
脑深部成像：在完整头皮与颅骨覆盖下，对海马体、纹状体、下丘脑（深度7 mm）的神经元进行同步成像与血管测绘。
肿瘤与器官成像：在肝脏、脾脏及乳腺癌移植瘤（4T1模型）中，BphP1探针信号CNR提升2.3倍（p=0.0134），肿瘤内部信号分布更均匀。
03光遗传精准治疗糖尿病模型基于iLight光遗传工具（IsPadC BphP衍生），团队在Blvra⁻/⁻小鼠中实现了近红外光控胰岛素分泌：
细胞实验：HeLa细胞经光诱导（660 nm）后，胰岛素分泌量达3.1 μg·L⁻¹（黑暗环境无分泌）。
动物治疗：在链脲佐菌素（STZ）诱导的糖尿病模型中，光激活肝脏胰岛素表达使Blvra⁻/⁻小鼠血糖降至9.26 mM（达正常范围），显著优于野生型（12.93 mM, p<0.005）。
创新与亮点
01突破深层成像技术瓶颈
传统光学成像（如双光子显微）受限于组织散射，有效深度仅1–2毫米。本研究通过两项革新实现突破：
内源生色团调控：Blvra⁻/⁻模型将BV利用率提升至近100%，解决了脑部等低BV器官的探针激活难题。
多模态协同：3D-PAULM系统结合光声的分子特异性与超声的血管分辨力，首次在无需开颅下实现全脑尺度成像。
02首创临床级光遗传治疗平台研究首次将深层光遗传技术应用于代谢疾病治疗：
精准控糖：通过AAV靶向递送光控胰岛素模块，证明Blvra⁻/⁻模型下光激活效率提升25倍，为糖尿病闭环治疗提供新范式。
转化潜力：BV为人体内源分子，Blvra部分缺失病例（如高胆绿素血症）已证实安全性，技术临床转化风险低。
03推动跨尺度生物医学研究该平台具备三大应用价值：
神经科学：7毫米深度覆盖啮齿类全脑，支持帕金森、脑卒中等疾病的神经环路研究。
肿瘤学：高分辨率血管成像与分子探针结合，可实时监测肿瘤转移与药物响应。
基因治疗：光控基因表达系统（如iLight）为时空精准干预遗传病提供新工具。
总结与展望
本研究通过Blvra⁻/⁻基因敲除模型与3D-PAULM多模态成像系统，攻克了深层组织光学检测与操控的核心难题——内源生色团利用率不足与背景噪声干扰。实验证明，该技术可在完整生物体内实现：7毫米深度的神经元成像；单细胞分辨率的脑部双光子成像；近红外光控的糖尿病精准治疗。
未来发展方向包括：
技术优化：提升3D-PAULM成像速度，适配动态生理过程监测；开发新型BphP衍生探针（如钙离子传感器），拓展功能维度。
临床转化：探索Blvra调控在新生儿黄疸治疗中的协同应用；推动光遗传胰岛素疗法向大型动物模型验证。
平台拓展：结合人工智能算法，实现跨尺度数据融合（分子-细胞-器官），为精准医学提供全息视图。
该研究标志着“深部生物窗口” 的正式开启，为理解生命机制与干预疾病开辟了全新路径。
论文信息声明：本文仅用作学术目的。
Kasatkina LA, Ma C, Sheng H, Lowerison M, Menozzi L, Baloban M, Tang Y, Xu Y, Humayun L, Vu T, Song P, Yao J, Verkhusha VV. Deep-tissue high-sensitivity multimodal imaging and optogenetic manipulation enabled by biliverdin reductase knockout. Nat Commun. 2025 Jul 14;16(1):6469.
DOI:10.1038/s41467-025-61532-4.